水体化学需氧量检测系统设计

刘开杨，郭书军

（北方工业大学 信息学院，北京 100144）

0 引 言

水质监测是污染预警、污染物监测和治理效果评定的重要手段，水质分析是水质监测至关重要的一环[1]，准确分析水体的污染情况是水源保护和污水治理的前提。

水源污染和污水性质检测的一项重要参数是化学需氧量（Chemical Oxygen Demand, COD），它表示以化学方法测量1 L水样中需要被氧化的还原性物质的量（单位为mg/L）[2]，是表示水体有机污染程度的一项重要指标，是水质综合评价的重要参数，因此对水体中的COD进行准确监测具有重要意义。

传统COD测定主要采用人工分析的方式进行，不仅耗时耗力，数据精确度不高，还对操作人员专业技能有较高的要求。因此，监测行业不断引进先进的高精密仪器设备进行样品分析。现阶段，仪器设备凭借快速、准确、数字化等特点在水质分析工作中占据主要地位[3]。

普通COD测定仪器大多为半自动式，需要人工移取水样、滴加试剂等。本研究在COD传统检测方法的基础上，参照行业标准，设计了通过分光光度法测量水样COD的专项水质分析系统[4]。该系统可按用户设定向反应容器中自动加入样液和试剂、消解冷却、采样测定，并记录分析数据，大幅减少人工实验步骤，降低实验错误率，在提高测定效率的同时降低成本。

1 水质分析系统设计

本系统包括检测终端、服务器和用户终端三部分，系统结构如图1所示。

图1 系统结构

仪器终端通过以太网网关接入互联网，从服务端读取参数配置，并在检测结束后将检测数据传给服务端。用户终端可以读取服务端数据，修改服务端参数配置。

系统功能如图2所示。

图2 系统功能

检测终端通过温控和液体控制完成消解反应后，借助光度传感器采集通过反应容器的平行光光照强度。当检测终端出现异常时会停止当前动作等待人工处理。检测终端测定的数据、信息等可以在检测终端显示屏上显示。

服务器对检测终端上传的数据进行处理和储存后，用户终端可对检测终端化学实验步骤进行编辑，并将服务器数据进行图形化显示。

1.1 检测终端设计

化学需氧量检测终端将MCU作为控制部分，连接温度传感器、光照强度传感器、温度控制模块、液体控制部分、光照控制部分、报警模块、通信模块和显示屏等，如图3所示。

图3 检测终端硬件结构

（1）MCU：微处理器选择意法半导体的STM32F407系列，该系列可在小封装内提供高集成度、高性能、低功耗的嵌入式存储器和外设，主要面向医疗、工业与消费类应用。STM32F407提供了工作频率为168 MHz的CortexTM-M4内核，保障了在线系统的实时性。

（2）温度传感器与温度控制：由于温度会影响消解过程，从而影响标准曲线和测量结果，因此本系统通过MCU计算PID实现温度的精准控制，以保证环境条件的稳定，使测量结果更加准确。

（3）液体控制：通过小细分步进电机带动液体泵，可精准加入样液与试剂。

（4）光照控制：通过数控恒流源供525 nm激光管产生测量所需的不同功率的平行光源。

（5）光照强度传感器：对透过反应容器的平行光进行采样，将光信号转换为模拟电信号。

（6）通信模块：采用W5500以太网芯片实现检测终端与服务端的通信。

（7）报警模块：当设备出现异常时发出提示。

检测终端通过分光光度法测量溶液中待测成分的浓度，将结果上传至服务端储存。分光光度法的基本原理是朗伯-比尔定律，又称吸收定律，即当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时，其吸光度（Absorbance, A）与吸光物质的浓度（Concentration, C）及吸收层厚度（Length, L）成正比[5]，用公式表示为：

A = KLC

式中，K为摩尔吸光系数。

检测终端程序流程如图4所示。

1.2 服务端设计

服务端用于与检测终端和用户终端通信，接收并存储来自检测终端的结果数据与来自用户终端的配置数据、标准曲线数据。

1.3 用户终端设计

用户终端使用C#开发，可以编辑执行流程和标准曲线并发送到服务端，检测终端也可从服务端获取数据，实现检测终端的外部控制。当流程结束时，检测终端上传数据至服务端，用户终端获取服务端存储的结果数据并显示。

图4 检测终端程序流程

2 系统实验

实验部分包括系统空测实验和国标CODMn（化学需氧量高锰酸盐指数）检测实验。

2.1 系统空测实验

在进行CODMn检测实验之前，为保证实验结果的可靠性，需首先对系统进行空测实验，即对消解反应容器在无液体与激光管不同功率的条件下进行重复测量（30次），并记录光照强度传感器测量数据，根据测量数据来判断系统的稳定性。系统空测实验结果显示，系统使用的光强度传感器在525 nm波长点测得的标准光照强度偏差小于3%，该结果表明该检测系统具有良好的稳定性。

2.2 国标CODMn检测实验

根据水体COD国标法规定（GB 11892—89），取浓度为4.0 mg/L的葡萄糖溶液为标准，配置间隔为0.25 mg/L、梯度为0～4.0 mg/L的标准待测水样[6-7]。以蒸馏水为参照，标准待测水样为测量对象，经过消解后，各自采集525 nm光强度传感器数据。

通过实验结果得到的标准曲线显示水体COD的浓度与光照强度呈现明显的线性关系，即浓度越高吸光度越大。当浓度低于0.5 mg/L时误差较大，其余浓度范围的相对误差较小，可满足水体化学需氧量检测要求。

3 结 语

本文采用嵌入式系统实现了一种基于分光光度法的实时、在线检测COD的水质分析系统。实验表明，该系统具有无人值守、实时检测、数据云端存储等优点，可应用于饮用水、水源水和地面水的COD在线检测。